Avant d'être un film sur le cinéma et une mise en abyme fascinante sur ce monde, La Petite Lili est aussi et surtout un film choral avec des personnages très symétriques. Tout d'abord, il y a Lili (Ludivine Sagnier), la jeune comédienne, et Mado (Nicole Garcia), l'actrice mature; puis, Julien (Robinson Stévenin), le jeune cinéaste, et Brice (Bernard Giraudeau), le réalisateur confirmé.
La Petite Lili est une transposition moderne de La Mouette de Anton Tchekov. Selon Claude Miller, cette pièce possédait tellement de concordances avec sa vie de cinéaste qu'il a eu envie de l'adapter au cinéma afin de montrer combien les personnages sont contemporains et universels.
Pour définir les rapports entre Lili et Brice, Bernard Giraudeau dit que son personnage "sait très vite qu'il va tuer son innocence. Il tue la mouette peut-être pour en faire un rapace, avec une grande perversité.". Ces rapports particulièrement ambigus entre ces deux personnages peuvent être perçus comme un écho à Gouttes d'eau sur pierres brûlantes, la fiction déjantée de François Ozon dans laquelle les mêmes acteurs (Bernard Giraudeau et Ludivine Sagnier) entretenaient des relations aussi troubles et tordues.
Dans La Petite Lili, Claude Miller met en opposition deux personnages cinéastes qui appartiennent à deux mondes bien distincts. Julien (Robinson Stévenin) est un apprenti-cinéaste rebelle qui refuse de se plier aux conventions; Bruce (Bernard Giraudeau) est un cinéaste plus académique auquel le réalisateur de La Petite Voleuse semble s'identifier.